智东西（公众号：zhidxcom）
编译 | 熊大宝
编辑 | 李水青
智东西4月8日报道，近日，美国西北大学的一个跨学科团队首次对老鼠等动物胡须进行机械模拟，以预测老鼠胡须如何激活不同的感官细胞。
未来，科学家还将制造人造胡须作为触觉传感器，进一步了解人类触觉。
该研究论文发表在《PLoS计算生物学（PLoS Computational Biology）》杂志上，题目为《毛囊内触须变形的制约因素（Constraints on the deformation of the vibrissa within the follicle）》。
论文链接：https://journals.plos.org/ploscompbiol/article?id=10.1371/journal.pcbi.1007887
一、连接4000个神经元，胡须帮老鼠生成“地形图”
老鼠、猫和许多其他哺乳动物都有胡须，它们通常用它来感知周围环境，但科学家尚未明确胡须如何将触觉传达给大脑。
西北大学机器人和生物系统中心的生物医学工程师米特拉·哈特曼（Mitra Hartmann）说，触觉对我们所做的一切事情来说都非常重要，但我们很难通过触摸来研究触觉。
因此，胡须提供了一个简化模型，让我们来理解复杂而神秘的触觉。
老鼠大约有30个大胡须和几十个小胡须，来构成其复杂“扫描传感器系统”中的一部分。在该系统下，老鼠只需用胡须扫描地形，即可执行诸如纹理分析、路径查找、模式识别和物体定位等多样化任务。
从生物上来讲，胡须只是毛发，很像人类的头发。但胡须背后的连接物，让其像人类指尖一样敏感。
每个老鼠的胡须都连着一个毛囊，毛囊将胡须连接到由多达4000个密集神经元构成的水桶状细胞簇。这些细胞簇依次连接在一起形成神经网络，犹如“地形图”。它们将信息传达至大脑，告诉老鼠周边存在哪些物体，以及环境中正在发生什么变化。
二、大小位置、纹理变化，动动胡须万物皆可知
2003年，哈特曼研究团队发现，老鼠的胡须在某些频率下产生共鸣。
这与竖琴或钢琴弦的原理相同：许多乐器上的弦通过厚度差异而达到不同的音高。胡须也类似：较长的胡须在较低的频率下产生共鸣，而较短的须在较高的频率下产生共鸣。
老鼠靠近鼻子的胡须较短，远处的胡须较长，这使得它们能够通过胡须的运动形变来创建一种“频率图”。由此，老鼠就可以感知啮齿动物的大小、位置，物体的边缘，甚至纹理的细微变化。
▲胡须形变时引发毛囊内神经元运动
当老鼠爬行时，它会不断用胡须扫描周围环境，每秒扫荡5到12次。当胡须击中物体时，内部毛囊会弯曲，向大脑引发电脉冲，使老鼠能够确定每个胡须移动的方向和距离。
老鼠大脑皮层中的某些神经元脉冲频率非常精确，这些脉冲被不断发送到脑神经，与传入的胡须信号进行比较。
由此，动物形成了对周围世界的印象。
哈特曼与同事想了解更多关于这个复杂的传感系统如何响应不同的外部刺激，特别是在胡须振动期间。然而作者表示：“目前还不可能在体内通过实验测量这种相互作用。”
哈特曼说，触发触觉传感器的胡须部分隐藏在毛囊内，因此很难研究。“你无法通过实验测量这个过程，因为如果切开毛囊，损伤会改变胡须的模型。通过开发新的模拟，我们便可以直接测量整个生物过程。”
所以他们决定建立一个毛囊复合体的机械模型来模拟毛囊内部的变形状态。
三、科学家借助机械模型了解胡须内神经元运动
为了建立模型，哈特曼等人参考2015年对老鼠胡须的体外研究数据，通过测量胡须转动后的位移来进行研究。虽然这个早期的实验只集中在整个胡须-毛囊-鼻窦复合体的一小部分区域，但最终的数据还是为西北大学的研究小组提供了有价值的参考。
为了模拟该区域的老鼠胡须振动形变，团队创建了类似的梁弹簧模型。
通俗来讲，梁是一种承力结构，以承受弯曲力为主，例如房梁。弹簧通常只受拉压力，梁弹簧可以理解为一个可受弯曲力的弹簧。采用梁弹簧计算方法，可以精细计算管状切片的内部的拉压、弯曲受力情况。
老鼠的胡须是一个管状结构，采用梁弹簧方法，团队计算这一管状结构内部的横切面、纵切面受力，从而细微精准地理解老鼠胡须下神经元与外界环境的共鸣情况。
▲梁弹簧模型
哈特曼等人发现，老鼠触碰物体时，毛囊内的胡须将产生“S”形形变，通过弯曲推动或拉动神经元细胞，触发它们向大脑发送触摸信号。无论胡须是触碰物体还是被外部接触，都会产生相同的弯曲轮廓。
哈特曼实验室的研究生、论文合著者之一罗义夫（Yifu Luo）表示：“我们的模型展示了被动触摸和主动感知之间的胡须变形轮廓的一致性。”
在这两种情况下，当触须向同一方向转动时，做出感知的细胞也是同一组。这表明：研究者可以在麻醉动物身上进行类似实验，来研究主动感知。
哈特曼表示，当前机械模型只是一个简化版，只关注一个胡须毛囊运动。未来，他们希望能模拟多个胡须同时运动，探究神经元的深层秘密。
结语：从小胡须了解大神经系统
尽管目前科学家仅能对一根胡须下神经元细胞运动的探究，但这对于神经网络的探究仍然很有参考价值。
老鼠等哺乳动物的大脑之所以能赋予它们精细的感知能力，并非单纯依靠某些特殊神经元或着排列成线的桶装细胞簇的单独活动，而是依赖于高度分布式的神经元群。
当分布广泛的众多神经细胞组合起来，形成巨大的神经元群体时，细胞间的相互作用就能精确地描述周围环境。因此，不管什么时候，杰瑞成功逃脱了汤姆的追捕，它都应该感谢神经元群在它大脑中奏响的电脉冲交响乐。
在大脑的结构、生理和细胞生物学方面，人类与大鼠有着共同的基本特征。希望不久的将来，我们也能充分掌握神经语言，以便跟大脑交谈。
来源：Arstechnica
